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污水處理廠重金屬污染特點及潛在風險

材料與方法

2.1 污泥樣品的采集與預處理

污泥取自北京市某污水處理廠污泥脫水車間，為均勻反映污泥重金屬含量情況，連續(xù)取樣7 d并分別標記為S1~S7.每次取樣500 g于聚乙烯自封袋取回，樣品在通風陰涼處自然風干后混勻，用四分法多次篩選后取30 g 污泥樣品，研磨過150 μm尼龍篩(100目)，裝入密封袋標號備用.

2.2 樣品處理與測試

2.2.1 含量分析

稱取樣品0.2 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，滴加2~3滴去離子水潤濕，加6 mL硝酸、6 mL氫氟酸及2 mL鹽酸，設定微波消解程序消解，消解后在電熱板上加熱趕酸，冷卻加1%硝酸定容至50 mL，于4 ℃下保存待測.

2.2.2 重金屬形態(tài)分析方法

常用的形態(tài)分析方法包括Tessier逐級提取法和BCR逐級提取法，Tessier提取法分級更詳細，但BCR提取法重現(xiàn)性相對較好.重金屬元素化學形態(tài)分析采用歐共體修正的BCR順序提取法：

①酸可提取態(tài)：稱取0.50 g土壤到50 mL離心管中，加入20 mL 0.11 mol · L-1醋酸(HOAc)，室溫振蕩16 h，在3000 r · min-1的轉速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

②可還原態(tài)：向上一步的殘渣中加0.5 mol · L-1的NH2OH · HCL溶液(鹽酸羥胺)20 mL，室溫振蕩16 h，在3000 r · min-1的轉速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

③可氧化態(tài)：向上一步的殘渣中加30%的H2O2 5 mL，室溫反應1h，偶爾振蕩，(85±2)℃下水浴硝化1 h，蒸發(fā)至體積少于2 mL，補加5 mL H2O2，重復上述操作，體積減少到大約1 mL;冷卻后加1.0 mol · L-1 NH4OAc溶液25 mL，室溫下振蕩16 h，在3000 r · min-1轉速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

④殘渣態(tài)：方法同全量檢測方法.

2.3 分析方法

2.3.1 污泥重金屬污染評價

單因子指數(shù)法：單因子指數(shù)法是國內外普遍采用的方法之一，是對土壤中某一污染物的污染程度進行評價，其計算公式為：

 

　　式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質量指數(shù);Ci為污染物i的實測含量(mg · kg-1);Si為污染物i的環(huán)境質量標準(mg · kg -1).

內梅羅綜合污染指數(shù)法：內梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴重的污染物給環(huán)境造成的危害，其計算公式為：

 

　　式中，P為監(jiān)測點的綜合污染指數(shù);Pimax為 i 監(jiān)測點污染物單污染指數(shù)中的最大值;Piave為 i 監(jiān)測點所有污染物單污染指數(shù)平均值.依據(jù)單因子指數(shù)法和內梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5 個等級，具體如表 1所示.

表1 土壤重金屬污染分級標準

 

　　GB15618—1995土壤環(huán)境質量標準提供的土壤環(huán)境質量標準如表 2所示，本次研究選用國家土壤質量Ⅰ級標準為評價標準.

表2 土壤環(huán)境質量執(zhí)行標準值

 

　　2.3.2 土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)計算

沉積物重金屬潛在生態(tài)風險評價采用瑞典科學家Hakanson 提出的評價方法，該方法綜合考慮了多元素協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度及環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素，消除了區(qū)域差異及異源污染的影響，已成為目前沉積物重金屬污染質量評價應用廣泛的一種方法計算公式如下：

 

　　式中，Cfi 為重金屬i 相對參比值的污染系數(shù);Csi 為重金屬i 的實測含量;Cni為重金屬i 的評價參比值;Eri 為第i 種重金屬環(huán)境風險指數(shù);Tri 為重金屬i 毒性響應系數(shù);RI 為多元素環(huán)境風險綜合指數(shù).在本研究中，8 種土壤重金屬毒性響應系數(shù)Tri參照文獻(表 3);為方便同類研究結果間比較，評價參比值Cni采用Hakanson 提出的工業(yè)化前全球土壤(沉積物)背景值，由于Hakanson 未提供元素Ni 的評價參比值，用土壤質量Ⅰ級標準值替代.潛在環(huán)境風險指數(shù)評價結果分級見表 4.

表3 不同重金屬的毒性效應系數(shù)

 

　　表4 不同生態(tài)風險水平的劃分

 

　　2.3.3 重金屬健康風險評價

參考土壤重金屬評價模型，本研究設定2種暴露途徑：①通過手-口直接攝入;②通過皮膚接觸攝入.其中，手-口攝食途徑和皮膚接觸途徑下的攝入量(AOD)計算公式分別如式(6)和(7)所示.

 

　　式中，C為污泥中重金屬含量(mg · kg-1);IR為攝取速率(mg · d-1);CF為轉換因子(kg · mg-1);EF為暴露頻率(d · a-1);ED為暴露年限(a);BW為受體體重(kg);AT為平均作用時間(a);SA為可能接觸的皮膚面積(cm2 · d-1); SL 為皮膚對土壤的吸附系數(shù)(mg · cm-2); ABS為皮膚對化學物的吸附系數(shù).相關參數(shù)取值見表 5.

表5 健康風險評價模型暴露參數(shù)

 

?　　毒性評估指分析受試物引起暴露人群不良健康反應的各種證據(jù)，估計暴露強度與不良反應增加的可能性和不良健康反應程度之間的關系，對人體健康危害進行定性和定量估算，分為致癌和非致癌毒性評估.

單個污染物單一暴露途徑的非致癌風險以 HQ表示，多污染物多途徑聯(lián)合非致癌風險以 HI表示，計算公式分別如下：

 

　　式中，CDIij為第i種污染物第j種暴露途徑的平均每日單位暴露量(mg · kg-1 · d-1);RfDij為第i種污染物第j種暴露途徑的慢性參考劑量(md · d · mg-1);n1為非致癌影響的污染物個數(shù);n2為暴露途徑的個數(shù).

污染物致癌風險值則以R表示，當暴露人群處于低風險水平(估算風險值在0.01以下)時，采用線性低劑量致癌風險模型，計算公式見式(10);當暴露人群處于高風險水平(估算風險值高于0.01)時，采用一次沖擊模型，計算公式見式(11).

 

　　多個污染物多種暴露途徑的聯(lián)合致癌風險計算公式分別如下：

 

　　本次研究相關的污染物的毒性數(shù)據(jù)主要來源于國際癌癥研究機構(IARC)和世界衛(wèi)生組織(WHO)，As、Cd 為化學致癌物，其致癌強度斜率因子(SF值)和評價模型各重金屬RfD 值如表 6所示.

表6 SF和RfD 參考值